Come viene misurata la prestazione termica di Wedgelock
La resistenza termica del wedgelock è indicata nelle schede tecniche del prodotto in °C/W. Questo articolo fornisce una breve panoramica della metodologia di test di WaveTherm per determinare °C/W e caratterizzare le prestazioni termiche dei wedgelock SOLIDWEDGE™ utilizzando dispositivi conformi a VITA e condizioni standardizzate. Per la metodologia completa, inclusi disegni dettagliati dei dispositivi e esempi di calcolo, consultare il rapporto completo sui test termici.
Cos'è la resistenza termica?
La resistenza termica misura quanto un materiale o un'interfaccia resiste al flusso di calore e, per i wedgelock, quantifica quanto efficacemente il calore si trasferisce dal telaio termico alla parete fredda del telaio. Si esprime in °C/W, che indica quanti gradi di aumento di temperatura si ottengono per ogni watt di potenza dissipata attraverso quel percorso.
Un wedgelock con una resistenza termica di 0,1°C/W produrrà una caduta di temperatura di 1°C attraverso l'interfaccia quando conduce 10 watt. Una resistenza termica più bassa significa un trasferimento di calore migliore. Per i moduli VPX raffreddati per conduzione che dissipano da 50 a 100 watt o più, piccole differenze nella resistenza termica si traducono direttamente in differenze di temperatura dei componenti che influenzano l'affidabilità e le prestazioni.
Come fluisce il calore attraverso un modulo raffreddato per conduzione?
In un modulo VPX raffreddato per conduzione, il calore generato dai componenti sul PCB fluisce attraverso il telaio termico e nella parete fredda del telaio. Ci sono due percorsi paralleli per questo trasferimento di calore:
- Contatto telaio-parete fredda (circa il 70% del calore): La copertura del telaio termico preme direttamente contro un lato della scanalatura della parete fredda. Questo è il percorso principale del calore grazie alla grande area di contatto.
- Contatto wedgelock-parete fredda (circa il 30% del calore): Il wedgelock si espande contro il lato opposto della scanalatura della parete fredda. Questo percorso trasporta meno calore perché l'area di contatto è più piccola, ma è essenziale per la forza di serraggio e contribuisce in modo significativo alle prestazioni termiche.
Le perdite convettive e radiative dalle superfici del modulo sono tipicamente trascurabili in involucri sigillati e non sono considerate nella caratterizzazione termica del wedgelock.
Poiché il calore fluisce simultaneamente attraverso entrambi i percorsi, la resistenza termica totale del sistema segue la formula della resistenza in parallelo, simile ai resistori in un circuito elettrico.
Come l'orientamento del Wedgelock influenza il flusso di calore
La suddivisione del calore 70/30 tra il telaio e la parete fredda e il contatto wedgelock-parete fredda rimane costante indipendentemente dalla configurazione. Tuttavia, l'orientamento del montaggio del wedgelock determina quale lato del telaio della scheda entra in contatto diretto con la parete fredda, e questo ha importanti implicazioni termiche.
Il coperchio lato primario (lato componenti del PCB) riceve la maggior parte del calore dalla scheda. La posizione di questo coperchio rispetto alla parete fredda determina l'efficienza con cui quel calore viene estratto.
Orientamento lato secondario (Wedgelock SOLIDWEDGE™ accanto al PCB)
Il coperchio lato primario entra in contatto diretto con la parete fredda. Poiché questo coperchio trasporta la maggior parte del calore, convogliare il 70% direttamente alla parete fredda massimizza l'efficienza termica. Il wedgelock gestisce il restante 30% dal lato secondario.
Orientamento lato primario (Wedgelock SOLIDWEDGE™ sopra il PCB)
Il coperchio lato secondario entra in contatto diretto con la parete fredda. Tuttavia, poiché il calore origina dal lato primario (lato componenti), deve prima condurre attraverso il PCB e il coperchio lato secondario prima di raggiungere il percorso a contatto diretto del 70%. Il substrato del PCB è un cattivo conduttore termico, quindi questo aggiunge una resistenza termica significativa. Inoltre, il wedgelock posizionato sopra il coperchio lato primario limita il percorso termico da quel coperchio alla parete fredda, limitando la quantità di calore che può trasferirsi attraverso il percorso wedgelock del 30%. Questa configurazione è tipicamente usata quando la convezione è il metodo di raffreddamento principale e la conduzione funge da supplemento.
Per moduli raffreddati per conduzione ad alta potenza, l'orientamento lato secondario è preferito perché fornisce il percorso termico più diretto per la maggior parte del calore dei componenti.
Apparecchiature e configurazione di prova
Test termici accurati richiedono apparecchiature che replicano le condizioni reali del telaio consentendo al contempo una misurazione precisa della temperatura.
Attrezzatura di prova per parete fredda
La parete fredda è un dissipatore di calore con uno slot a bordo scheda lavorato secondo la specifica VITA appropriata (VITA 48, VITA 78, ecc.). I requisiti chiave includono:
- Finitura superficiale: 16 µin RMS o migliore sulle superfici di contatto dello slot
- Placcatura: Cromato trasparente secondo MIL-C-5541 classe 3 per rappresentare condizioni tipiche del telaio
- Raffreddamento attivo: Dissipatori alettati con ventole dimensionate per dissipare la potenza di prova prevista
- Termocoppie: Posizionate su entrambi i lati dello slot per misurare la temperatura della parete fredda a ogni interfaccia
Un distanziatore non termoconduttivo (tipicamente plastica ABS) è posizionato alla base dello slot per evitare che il telaio termico entri in contatto con il fondo, creando un terzo percorso termico che altererebbe i risultati.
Piastra di prova
La piastra di prova simula un heatframe con un wedgelock fissato. È realizzata in alluminio 6061-T6 con finitura superficiale da 16 µin RMS nelle aree di contatto. Lo spessore della piastra è calcolato in base all'altezza della scanalatura della parete fredda, all'altezza del wedgelock e all'espansione nominale:
Spessore della piastra di prova = Altezza della scanalatura della parete fredda - Altezza del wedgelock - Espansione nominale del wedgelock
Per una configurazione standard VITA 48 con wedgelock alto 0,225" e espansione nominale di 0,025": 0,525" - 0,225" - 0,025" = 0,275"
I resistori di carico montati sulla piastra di prova simulano la dissipazione di calore dei componenti, con capacità di almeno 100 watt. I resistori sono coperti con isolamento in PTFE per minimizzare le perdite convettive e garantire che il calore fluisca attraverso i percorsi di conduzione previsti.
Misurazione della temperatura
Sono necessarie tre misurazioni di temperatura per calcolare la resistenza termica:
- Temperatura della piastra di prova (TP): Media di quattro termocoppie equamente distanziate lungo la lunghezza della piastra di prova, situate tra la sorgente di calore e il wedgelock, posizionate a circa 0,100" - 0,200" dal bordo del wedgelock
- Temperatura lato telaio della parete fredda (TCWF): Media di due termocoppie centrate lungo la lunghezza della parete fredda, posizionate a circa 0,100" - 0,200" dall'interfaccia telaio-parete fredda
- Temperatura lato wedgelock della parete fredda (TCWW): Media di due termocoppie centrate lungo la lunghezza della parete fredda, posizionate a circa 0,100" - 0,200" dall'interfaccia wedgelock-parete fredda
Si usano termocoppie di tipo T per la loro precisione nell'intervallo di temperatura rilevante. Il posizionamento delle termocoppie è critico. I sensori devono essere il più vicino possibile all'interfaccia senza interferire con il contatto.
Calcoli della resistenza termica
Poiché il calore fluisce attraverso percorsi paralleli, la resistenza termica di ogni percorso viene calcolata separatamente, quindi combinata usando la formula della resistenza in parallelo.
Resistenza termica lato telaio (RF)
RF = (TP - TCWF) / 0,7P
Dove P è la potenza totale e 0,7P rappresenta il 70% del calore che si presume fluisca attraverso il percorso lato telaio.
Resistenza termica lato wedgelock (RW)
RW = (TP - TCWW) / 0,3P
Dove 0,3P rappresenta il 30% del calore che si presume fluisca attraverso il percorso wedgelock.
Resistenza termica totale (RT)
RT = (RF × RW) / (RF + RW)
Questa è la formula standard della resistenza in parallelo. Il risultato è espresso in °C/W.
Procedura di prova
I dati vengono acquisiti a più livelli di potenza per verificare prestazioni costanti su tutta la gamma operativa:
- Incrementi di potenza: 20W, 40W, 60W, 80W e 100W
- Criteri di stabilizzazione: Nessuna variazione di temperatura superiore a 1°C in cinque minuti (secondo MIL-STD-202)
- Calibrazione iniziale: Medie della parete fredda e della piastra di test entro 0,2°C prima di applicare la potenza
Testare a più livelli di potenza conferma che la resistenza termica rimane costante e rivela eventuali comportamenti non lineari che potrebbero influenzare applicazioni ad alta potenza.
Perché la Finitura Superficiale è Importante
Il trasferimento di calore attraverso un'interfaccia metallo-metallo dipende dall'area di contatto effettiva. A livello microscopico, anche le superfici lavorate presentano picchi e valli. Solo i picchi entrano in contatto, quindi l'area di contatto effettiva è una frazione dell'area apparente.
Una specifica di finitura superficiale di 16 µin RMS garantisce condizioni di contatto coerenti e ripetibili. Superfici più ruvide riducono l'area di contatto e aumentano la resistenza termica. Per questo motivo WaveTherm specifica i requisiti di finitura superficiale sia per l'attrezzatura di test che per l'hardware di produzione.
Le superfici del dispositivo di prova sono considerate componenti soggetti a usura e devono essere pulite tra un campione e l'altro. Se la rugosità superficiale si degrada oltre il range accettabile, le superfici devono essere rifinite per mantenere l'accuratezza del test.
Test in Vuoto e ad Alta Quota
La stessa metodologia può essere applicata in una camera a vuoto per caratterizzare le prestazioni ad alta quota. In quota, la riduzione della pressione dell'aria elimina il raffreddamento convettivo, rendendo la conduzione attraverso il wedgelock e il heatframe ancora più critica. Il test in vuoto convalida che le prestazioni termiche si mantengono in queste condizioni.
Cosa significa questo per il tuo progetto
Comprendere la metodologia di test termico ti aiuta a interpretare le specifiche del fornitore e a prevedere le prestazioni nel mondo reale. Quando valuti i dati di resistenza termica del wedgelock, considera:
- Condizioni di test: I test sono stati eseguiti a livelli di potenza rilevanti per la tua applicazione?
- Condizioni della superficie: Quale finitura superficiale e placcatura sono state utilizzate?
- Conformità VITA: Il dispositivo di prova è stato costruito secondo la stessa specifica VITA del tuo chassis?
- Ripetibilità: Il fornitore utilizza una metodologia standardizzata che produce risultati coerenti?
- Forza di serraggio: La pressione di contatto all'interfaccia wedgelock-parete fredda influisce direttamente su quanto bene il calore si trasferisce attraverso quell'interfaccia. Una forza di serraggio maggiore significa un contatto migliore e una resistenza termica inferiore. Consulta come viene calcolata la forza di serraggio SOLIDWEDGE™ per una spiegazione dettagliata.
La metodologia di test termico di WaveTherm è progettata per produrre una caratterizzazione accurata e ripetibile dei wedgelock SOLIDWEDGE™ in condizioni che corrispondono agli ambienti reali dei chassis VPX. I valori di resistenza termica pubblicati riflettono le prestazioni che puoi aspettarti in sistemi progettati correttamente.
